к.т.н., Галкин М.Л.

Время охлаждения изделий из термопластичных ПМ в форме существенно влияет на качество изделия и на производительность всего процесса литья под давлением. Основной вклад в скорость процесса охлаждения вносит теплообмен собственно в литьевой форме, точнее – в системе ее термостатирования (фактически – в системе охлаждения). При литье под давлением изделий из ПМ система охлаждения должна обеспечивать интенсивный отбор тепла, циклически поступающего с расплавом материала в зону формования изделия. Тепловой режим охлаждения в форме, а, следовательно, и в отливке часто происходит в неуправляемых ситуациях, влияющих на режим теплообмена во всех элементах системы охлаждения литьевой формы. Это обусловлено образованием на поверхности каналов охлаждения непостоянного слоя отложений, состоящих из продуктов коррозии поверхностных слоев каналов и имеющихся в хладоносителе (например, в воде) солей разного вида и в различном количестве в зависимости от состава и жесткости воды (условно – «солей жесткости»).

Накипно-коррозионные отложения сужают проходное сечение канала охлаждения, что приводит к снижению скорости течения хладоносителя и, следовательно, к ухудшению теплообмена. Так, простые расчеты показывают, что образование на поверхности канала охлаждения слоя отложений толщиной, равной 10 % от диаметра канала, приводит к снижению скорости течения воды (при прочих равных условиях) на 36 %. Негативно влияя на температурное поле в литьевой форме, накипно-коррозионные отложения в определенной мере «ответственны» за возникающую в последующем структурную неоднородность поверхностных слоев отливки, неравномерную усадку в поверхностных слоях изделия и остаточные напряжения, и связанные с ними утяжины, коробление, возможное ухудшение оптических и других свойств изделий. Одной из важных задач стабилизации теплообмена является снижение сопротивления распространению теплового потока. Эта задача может быть решена путем:

• предотвращения образования накипно-коррозионных отложений в системе охлаждения литьевой формы (равно как и во всем контуре охлаждения, в общей производственной системе водоподготовки);
• эффективного устранения уже образовавшихся отложений, тем самым максимально способствуя стабилизации и интенсификации теплообмена, повышению качества продукции и производительности;
• выбора материала формы с лучшими показателями теплопроводности.

Негативно влияя на температурное поле в литьевой форме, накипно-коррозионные отложения в определенной мере «ответственны» за возникающую в последующем структурную неоднородность поверхностных слоев отливки, неравномерную усадку в поверхностных слоях изделия и остаточные напряжения, и связанные с ними утяжины, коробление, возможное ухудшение оптических и других свойств изделий. Результаты проведенных расчетов для конкретных исходных данных (двух наиболее распространенных материалов для плиты матрицы - углеродистой качественной конструкционной стали марки Ст30 и высококачественной стали марки Ст30ХН3А при наличии и отсутствии накипно-коррозионных отложений) наглядно свидетельствуют о решающем влиянии слоя накипно-коррозионных отложений на значение коэффициента теплопередачи К и, следовательно, на интенсивность теплообмена (табл. 1 и 2.)

Таблица 1. Исходные данные для расчета и рассчитанные значения термических сопротивлений стенки матрицы, изготовленной из разных материалов, и слоя отложений различного состава на поверхности термостатирующих каналов формы

Объект	Материал матрицы или основной компонент отложений	Исходные данные		Термич. сопроти-вление R, м2×К/Вт
		Теплопроводность l, Вт/м×К	Толщина d, м
Матрица	Сталь 30	75,5	6×10-3	0,79×10-4
	Сталь 30 ХН3А	33,7		1,78×10-4
Отложения	CaCO3	2,4	1×10-3	4,17×10-4
	Fe2O3	1,3	1×10-3	7,69×10-4
	Fe(OH)2	1,2		8,33×10-4

Таблица 2. Коэффициент теплопередачи К сквозь двухслойную стенку матрицы литьевой формы и слоя отложений в сравнении с вариантом отсутствия отложений

Материал матрицы	Наличие отложений	К, Вт/м2×К
Сталь Ст30	Нет	12 580
	Да	1 096
Сталь Ст30 ХН3А	Нет	5 620
	Да	990

Поэтому столь важно применение в составе воды ингибиторов коррозии и отложения солей. Кроме того, применение ингибиторов дает возможность использовать для изготовления формообразующих элементов литьевых форм более теплопроводные и к тому же более дешевые марки сталей, что дает немалый дополнительный технико-экономический эффект.

Следует заметить также, что значительная шероховатость поверхности каналов охлаждения с накипно-коррозионным слоем способна при определенных условиях вызывать изменение режима течения воды в пограничном слое с ламинарного на турбулентный и существенно повысить тем самым гидравлическое сопротивление в системе охлаждения, снизив при этом эффективность теплообмена в литьевой форме.

Специалисты ООО «Спектропласт» (Москва) разработали и освоили промышленный выпуск комплексных добавок – водорастворимых концентратов ингибиторов коррозии и отложения солей серии СП-В. Промышленному выпуску комплексных добавок предшествовали разнообразные испытания. Так, проводилась сравнительная оценка образцов при различных способах их погружения в водную среду без ингибиторов и с концентратами ингибиторов марки СП-В 10-0 (см. Таблицу 3). При этом было, например, установлено, что при отключении каналов охлаждения литьевой формы от поступления воды та часть каналов, которая находится в парогазовой фазе, существенно активнее подвергается коррозионному воздействию, а применение концентратов ингибиторов приблизительно на порядок уменьшает скорость коррозии металлов в парогазовой фазе.

Таблица 3. Скорости коррозии в воде некоторых металлов и отложения солей жесткости (Результаты сравнительных испытаний)

Материал образца	Скорость коррозии, мм/год; при температуре испытания:
	Т = 20°С		Т = 70°С
	без ингибиторов	с ингибиторами СП-В	без ингибиторов	с ингибиторами СП-В
Сталь Ст20	0.5	0.01	1.0	0.02
Ржавая сталь Ст20	1.1	0.02	2.8	0.03
Сталь/Медь	0.8	0.01	1.2	0.01
Замедление отложения солей, отн. ед. (разы), по ТУ 2415-006-11490846-04 п.5.5
Сталь Ст20	1	12	1	5

Примечание : жесткость воды – около 10 моль/м 3 ; содержание концентратов ингибиторов - 5 % масс.

Концентрат ингибиторов коррозии и отложения солей марки СП-В вводится в воду в количестве от 0,5 до 7% в зависимости от качества воды и марок сталей, температуры и длительности эксплуатации. Это способствует:

• повышению стабильности и интенсивности теплообмена в литьевой форме;
• сокращению цикла литья за счет повышения скорости охлаждения отливки;
• улучшению размерной точности литьевых изделий из ПМ и других показателей их качества, а также стабильности свойств;
• увеличению срока службы и надежности системы термостатирования, в т. ч. благодаря уникальной способности защищать металл в каналах охлаждения при отключении их от поступления воды, без просушки и консервации пресс-формы в течение длительного (более месяца) времени;
• увеличению продолжительности функционирования литьевой формы (ориентировочно на 20-30%);
• расширению вариантов рационального размещения и конструктивного исполнения каналов охлаждения;
• сокращению времени обслуживания системы термостатирования формы, включая время на консервацию и расконсервацию литьевой формы;
• снижению частоты ремонтов систем термостатирования;
• уменьшению себестоимости литьевых форм за счет обоснованного применения более дешевых марок сталей (например, углеродистых взамен нержавеющих) и меньшей трудоемкости изготовления форм.

Литература

1. Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов. – М.: Химия, 1991. – 352 с.
2. Генель Л.С., Галкин М.Л., Корнеева Т. М., Брагинский В. А. Ингибиторы коррозии и отложения солей в системах охлаждения литьевых форм//Полимерные материалы. – 2006, №4. - с. 34-39.